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FENOLES

Objetivo.

Comprobar los efectos activadores del grupo hidroxilo –OH en los anillos de benceno y naftaleno, así como las reacciones características de este grupo.

Introducción.

Los fenoles son sustratos muy reactivos a la sustitución aromática electrofílica, porque los electrones no enlazantes del grupo hidroxilo estabilizan al complejo sigma que se forma por ataque en la posición orto o para. Por tanto, se dice que el grupo hidroxilo es muy activante y director orto-para. Los fenoles son sustratos excelentes para halogenación, nitración, sulfonación y algunas reacciones de Friedel-Crafts. Como son muy reactivos, generalmente los fenoles se alquilan o se acilan con catalizadores de Friedel-Crafts, relativamente débiles (como el HF) para evitar sobrealquilación o sobreacilación. Así y todo, las sustituciones electrofílicas aromáticas requieren condiciones mucho más suaves que para el benceno, y la reacción sucede mucho más rápidamente.

OH

+ H3CCH

OH

CH3

HF

OH

CHCH3

CH3

phenolpropan-2-ol

2-isopropylphenol El fenol mismo reacciona con bromo en solución acuosa para producir 2,4,6-tribromofenol en rendimiento casi cuantitativo. En otros solventes polares tampoco se puede detener la bromación en el producto monobromado.

OH

3 Br2+H2O

OH

Br

Br

Br

+ 3 HBr

phenol

2,4,6-tribromophenol

hydrogen bromidedibromine

La monobromación del fenol puede lograrse llevando a cabo la reacción en disulfuro de carbono o 1,2-dicloroetano a baja temperatura, con altísimo rendimiento. El principal producto es el isómero para.

OH

Br2+CS2

OH

Br

+ HBr5°C

phenol

4-bromophenol

dibromine hydrogen bromide

Los iones fenóxido, que se generan fácilmente tratando un fenol con hidróxido de sodio, son aún más reactivos que los fenoles hacia la sustitución aromática electrofílica. Como tienen una carga negativa, los iones fenóxido reaccionan con electrófilos con carga positiva para dar complejos sigma neutros, cuyas estructuras son similares a las de las quinonas:

2

O

O

benzoquinone Los iones fenóxido están tan activados que participan en la sustitución aromática electrofílica con dióxido de carbono (reacción de Kolbe-Schmitt), que es un electrófilo débil. La carboxilación del ion fenóxido es la síntesis industrial del ácido salicílico, necesaria para la conversión a ácido acetilsalicílico, la aspirina.

O-

H

OC

O O

C O-

O

H

O-

CO-

O

H2OHO-

OH

COH

O

H+

6-oxocyclohexa-2,4-dienecarboxylate 2-hydroxybenzoic acid2-oxidobenzoatephenolate Otras reacciones típicas de sustitución aromática electrofílica –nitración, sulfonación, alquilación y acilación de Friedel-Crafts– tienen lugar rápidamente y son de mucha utilidad en síntesis. Los fenoles también sufren reacciones de sustitución electrofílica que están limitadas sólo a los compuestos aromáticos más activos, incluyendo la nitrosación y la copulación con sales de diazonio.

Procedimientos y Esquemas

Bromación de fenol

Nitrosación de anilina

III gotas de fenol Llenar con H2O

Eliminar todo

H2O hasta las ¾ partes

Agregar gota a gota Agua de Bromo

Ppdo. Blanco lechoso

II gotas de anilina XX gotas de HCl 4ml H2O helada 5ml NaNO3 10% Mantener en H2O helada

3

Copulación diazo de fenol y bencendiazonio

Copulación diazo de α-naftol y bencendiazonio

Copulación diazo de β-naftol y bencendiazonio

2ml NaHCO3 10%

III gotas de fenol Agregar gota a gota la solución anterior

2ml NaHCO3 10%

III gotas de α-naftol Agregar gota a gota la solución anterior

2ml NaHCO3 10%

III gotas de β-naftol Agregar gota a gota la solución anterior

4

Complexación de fenol con cloruro férrico

Oxidación de pirogalol con cloruro férrico

Complexación de β-naftol con cloruro férrico

Reacción indofenólica

I gota de fenol Agregar FeCl3 gota a gota

H2O hasta las ¾ partes

I gota de pirogalol Agregar FeCl3 gota a gota

H2O hasta las ¾ partes

I gota de β-naftol Agregar FeCl3 gota a gota

H2O hasta las ¾ partes

2ml H2SO4 Agregar fenol gota a gota

XX gotas de NaNO2 Rxn. exotérmica Echar en 30ml de H2O helada

Tomar XX de la solución anterior y

agregar NaOH

5

Reacciones

Bromación de fenol OH

+ 3 Br2

OH

Br

Br

Br

+H2O

3 HBr

phenol

2,4,6-tribromophenol

dibromine hydrogen bromide

Nitrosación de anilina

NH2 HONO+ N+ + 3H3O++0°C

N H2O

aniline

nitrous acid oxonium

benzenediazonium

water

Copulación diazo de fenol y bencendiazonio

N+ N + OHN

N OHHO-

0°C+ + H2O

benzenediazonium phenol

hydroxide

4-(phenyldiazenyl)phenol

water

Copulación diazo de α-naftol y bencendiazonio

N+ N + OHN

N OHHO-

0°C+ + H2O

benzenediazonium naphthalen-1-ol

hydroxide

4-(phenyldiazenyl)naphthalen-1-ol

water

Copulación diazo de β-naftol y bencendiazonio

N+ N +N

NHO-

0°C+ + H2O

benzenediazonium

naphthalen-2-ol

hydroxidewater

HOHO

1-(phenyldiazenyl)naphthalen-2-ol

6

Complexación de fenol con cloruro férrico

OH

HOHO Fe+3

HO

Fe-3

H2O

H2O H2O

H2OH2O

+ 4

OH

+ H2O6

H2O

hexaaquoiron(III)

tetraphenoliron(III)

phenol

water

Oxidación de pirogalol con cloruro férrico OH

OH

OH

+ 2 Fe(H2O)6+3

OH

O

O

+ 2 Fe(H2O)6+2+ H2O2 + H3O+2

benzene-1,2,3-triol

hexaaquoiron(III) water oxoniumhexaaquoiron(II)

3-hydroxycyclohexa-3,5-diene-1,2-dione

Complexación de β-naftol con cloruro férrico

OH

HOHO Fe+3

HO

Fe-3

H2O

H2O H2O

H2OH2O

+ 4 + H2O6

H2O

hexaaquoiron(III)naphthalen-2-ol

OH

tetrakis(2-naphthol)iron(III)

water

Reacción indofenólica

H

OH

NO

OH

+N

O

OH

+ H2O

phenol

nitrous acid

4-nitrosophenol

water

7

OH

NO

OH-

O

N

+

4-nitrosophenol

4-(4-hydroxyphenylimino)cyclohexa-2,5-dienone

H2O+

OH

OH

water

phenol

Mecanismo de reacción

Las reacciones efectuadas: bromación, copulación diazo e indofenólica corresponden a la sustitución electrofílica aromática, haciendo hincapié en la activación del anillo por el grupo hidroxilo fenólico. La nitrosación de la anilina: corresponde a una adición electrofílica del catión nitrosonio (azilidinoxonio) sobre el nitrógeno que tiene un par libre. Las reacciones de complexación son propias del grupo hidroxilo fenólico, que actúa como un ligante monodentado. La oxidación del pirogalol es una reacción redox que lo convierte en una quinona. La reacción indofenólica es una nitrosación electrofílica del anillo aromático, seguida por sustitución electrofílica a fenol en medio básico.

Bromación de fenol OH

BrBrH

+HC

OH

H Br

HO-

OH

BrH2O

Br-phenol

6-bromo-3-hydroxycyclohexa-2,4-dien-1-ylium

4-bromophenol

OH

BrBr

Br

CH+

OH OH

Br

H2O

Br-

H

Br

HO-

Br

4-bromophenol

6-bromo-5-hydroxycyclohexa-2,4-dien-1-ylium

2,4-dibromophenol OH

BrBr

Br

CH+

OH OH

Br

H2O

Br-

H

Br

HO-

BrBr Br Br

2,4-dibromophenol

4,6-dibromo-5-hydroxycyclohexa-2,4-dien-1-ylium

2,4,6-tribromophenol

8

Nitrosación de anilina

NH2 + N O+ NH+

N OH2O

H

N

N O

Haniline

azylidyneoxonium

N-nitrosoanilinium N-nitrosoaniline

N

N O

H

N-nitrosoaniline

+ H3O+ N

N O+

H

H N+

N O

H

H + H2O N

N O

H + H3O+

(E)-2-hydroxy-1-phenyldiazenium (E)-1-hydroxy-2-phenyldiazene

N

N OH

H3O+

N

N OH2+

N+ N H2O+

(E)-1-hydroxy-2-phenyldiazene (E)-(phenyldiazenyl)oxonium benzenediazonium

Copulación de bencendiazonio y fenol

N+ N + OHH N N CH+

OH

H

H2O

N

N OH

H3O+

(E)-4-(phenyldiazenyl)phenol

3-hydroxy-6-(phenyldiazenyl)cyclohexa-2,4-dien-1-yliumbenzenediazonium phenol

Copulación de bencendiazonio y α-naftol

N+ N + OHH N NCH+

OH

H

H2O

N

N OH

H3O+

(E)-4-(phenyldiazenyl)naphthalen-1-ol

4-hydroxy-1-(phenyldiazenyl)-1,2-dihydronaphthalen-2-yliumbenzenediazonium naphthalen-1-ol

Oxidación de pirogalol por ion férrico

Aunque el mecanismo de esta reacción no se conoce con exactitud por ser de índole redox e involucrar a un catión metálico, se puede sugerir que la primera etapa de la misma debe ser, necesariamente, una complexación del catión Fe+3 por dos de los grupos hidroxilo del pirogalol, seguida por el electrofílico de una molécula de agua para eliminar un ion oxonio, a la vez que se produce el cambio del estado de oxidación del catión férrico.

HO OH

OH

HO O

O

Fe+3

H2O

H

H

Fe+3

9

Copulación de bencendiazonio y β-naftol

N+ N + N N

CH+

H

H2O

N

N

H3O+

(E)-1-(phenyldiazenyl)naphthalen-2-ol

3-hydroxy-4-(phenyldiazenyl)-1,4-dihydronaphthalen-1-yliumbenzenediazoniumHO

naphthalen-2-ol

HO

H

HO

Reacción indofenólica OH

+ N O+

H

CH+

OH

H NO

H2O

OH

NO

H3O+

4-nitrosophenol3-hydroxy-6-nitrosocyclohexa-2,4-dien-1-ylium

phenol

NO

OH OH-

NO

O-

NO-

O

H2O

NOH

O

4-nitrosophenol 4-nitrosophenolate 4-(hydroxyimino)cyclohexa-2,5-dienone

NOH

O

H2O

N+

O

OH

OH-

H

N

O

+HCO-

H

4-(hydroxyimino)cyclohexa-2,5-dienone 6-(4-oxocyclohexa-2,5-dienylideneamino)cyclohexa-2,4-dien-1-yliumolate

10

N

O

+HCO-

H H2O

H2O

N

O

OH

4-(4-hydroxyphenylimino)cyclohexa-2,5-dienone

6-(4-oxocyclohexa-2,5-dienylideneamino)cyclohexa-2,4-dien-1-yliumolate hydrate

Discusión

Sustitución electrofílica aromática en fenol:

Las reacciones de sustitución electrofílica aromática en anillos bencénicos muy activados, como es el caso del fenol, tienden a orientar al isómero orto y para. Cuando el grupo atacante es muy voluminoso, se produce una repulsión con el grupo OH fenólico, lo que aumenta la barrera energética para la sustitución en orto. En este caso, la sustitución en para se ve favorecida, aunque principalmente el rendimiento depende de factores probabilísticos: hay doble de probabilidad geométrica en la adición orto que en la adición para. En términos del modelo de Resonancia de la Teoría del Enlace de Valencia, la reacción en las posiciones orto y para se ve favorecida porque tanto en los complejos sigma 1,2 y 1,4 hay una forma límite que tiene un enlace pi adicional, formado por la donación de un par libre del átomo de oxígeno para formar un enlace pi con el anillo bencénico. En los complejos sigma 1,3 no hay tal estructura, y aunque la carga positiva está igualmente deslocalizada en 3 átomos, la diferencia provocada por la formación del enlace pi oxígeno-carbono establece la trayectoria de la reacción.

Complejo sigma 1,2

CH+

OH

H

A

+HC

OH

H

A

OH+

H

A

excepcionalmente estable:1 enlace adicional

Complejo sigma 1,3

CH+

OH

A

H

+HC

OH

A

H

CH+

OH

A

H

11

Complejo sigma 1,4

CH+

OH

H A

OH+

H A

+HC

OH

H A

excepcionalmente estable:1 enlace adicional

Bromación de fenoles

La bromación electrofílica en los fenoles sucede incluso en ausencia de buenos ácidos de Lewis como catalizadores. En un disolvente polar, como el agua, la bromación sucede rápidamente. Las moléculas de agua estabilizan los iones bromuro formados en la reacción, con lo que la adición al carbono 4 del anillo fenólico se hace favorable. Siendo en bromo un desactivador débil (puede donar un par de electrones libre al complejo sigma formado durante una sustitución electrofílica), no afecta de modo significativo la orientación en la adición de los demás iones bromonio. Así, el primer producto formado sería el 2-bromofenol, debido a que el átomo de bromo no es un grupo muy voluminoso y, dado que hay dos posiciones orto disponibles, es más probable que se adicione a alguno de ellos que a la posición para que, aunque más libre estéricamente, tiene menos probabilidad de recibir al ion bromonio.

Sustitución electrofílica aromática en α-naftol

Al plantear las estructuras en resonancia para el complejo sigma formado por la adición de un electrófilo a cualquiera de los átomos de carbono de los naftoles se debe tomar en cuenta que la adición debe proseguir, necesariamente, en el anillo que tiene el grupo hidroxilo. Esto porque la adición en el otro anillo provocaría que en las formas límites se destruya la aromaticidad de ambos anillos, o que el grupo hidroxilo no participe en la resonancia. En el caso de la sustitución electrofílica aromática del α-naftol, o 1-naftol, es posible obtenerse, siguiendo la restricción anterior, 3 isómeros: 1,2 , 1,3 y 1,4 , que equivalen de algún modo a las posiciones orto, meta y para del anillo simple fenólico. Sin embargo, la existencia del segundo anillo restringe las posibilidades en estructuras en resonancia. Así, en el complejo sigma 1,2 sólo es posible una estructura, donde la carga positiva queda localizada sobre el átomo de oxígeno que se une por medio de un enlace pi adicional al anillo nafténico. Las otras dos estructuras vistas en el complejo 1,2 fenólico son imposibles aquí pues se destruiría la aromaticidad del segundo anillo. En el complejo sigma 1,3 también es posible sólo una estructura debido a las mismas restricciones que en el caso anterior. En el complejo sigma 1,4 es posible, sin embargo, construir dos estructuras razonables, una de ellas con el enlace pi adicional oxígeno-carbono aromático. La sustitución se da, por tanto, en esta posición, obteniéndose el producto 1,4.

12

Complejo sigma 1,2 OH+

A

H

Complejo sigma 1,3

CH+

OH

A

H

Complejo sigma 1,4

CH+

OH

A H

OH+

A H

excepcionalmente estable:1 enlace adicional

Sustitución electrofílica aromática en β-naftol

En el caso de la sustitución electrofílica aromática del β-naftol, o 2-naftol, es posible obtenerse, siguiendo la restricción anterior, 3 isómeros: 2,1 , 2,3 y 2,4. Del mismo modo que con el α-naftol., la existencia del segundo anillo restringe las posibilidades en estructuras en resonancia. En el complejo sigma 2,1 son posibles 2 formas límite, teniendo una de ellas un enlace pi adicional oxígeno-carbono aromático, por lo que es excepcionalmente estable. En el complejo sigma 2,3 sólo es posible una estructura, con la carga positiva localizada en un solo átomo de carbono. En el complejo sigma 2,4 es posible escribir 2 estructuras en resonancia, con la carga deslocalizada en dos átomos de carbono. La sustitución se da, por tanto, en la posición 1, obteniéndose el producto 2,1.

Complejo sigma 2,1

OH+

A H

CH+

OH

A H

excepcionalmente estable:1 enlace adicional

13

Complejo sigma 2,3

CH+

OH

H

A

Complejo sigma 2,4

CH+

OH

A H

H+C OH

A H

Oxidación de pirogalol por catión férrico El pirogalol es un compuesto aromático polihidroxílico. Como tal, es sumamente susceptible a la oxidación, transformándose en una quinona. Los grupos hidroxilo actúan como activadores del anillo bencénico al donarle densidad electrónica por medio de sus orbitales p libres o no enlazantes. Esto ocasiona que la aromaticidad del anillo se debilite, adquiriendo más las características de un polieno conjugado. El ion hierro (III), un oxidante moderado, es capaz de inducir la conversión del pirogalol a una ortoquinona hidroxilada y, en concentraciones de pirogalol aún mayores, promover la formación de un polímero de la quinona formada, obteniéndose un producto con un sistema pi muy largo y, por tanto, absorción en todo el espectro.

Reacción indofenólica En soluciones ligeramente alcalinas, los compuestos fenólicos forman una cantidad pequeña, pero significativa de ion fenolato o fenóxido. Cuando en el anillo se encuentra presente algún grupo que sea capaz de recibir electrones, se puede formar, a partir del ion fenolato, una estructura en resonancia con la carga negativa ubicada sobre dicho grupo. Esto puede inducir a una tautomerización en medio básico si dicho grupo es capaz, además, de recibir iones H+. En el caso del 4-nitrosofenol, es esto lo que sucede: se isomeriza a 4-(hidroxiimino)ciclohexa-2,5-dienona, sustancia que es capaz de liberar un grupo OH- en forma de agua, para formar el un catión electrofílico con carga localizada en el átomo de nitrógeno. Este reactivo intermedio puede reaccionar con el ion fenóxido presente (que no reaccionó con el catión nitrosilo en la primera reacción), formando el indofenol: 4-(4-hidroxifenilimino)ciclohexa-2,5-dienona.

Resultados y conclusiones

1. La bromación del fenol en medio acuoso a TPE produce el aducto tribromado: 2,4,6-tribromofenol.

2. La nitrosación de la anilina conduce a la formación del catión bencendiazonio, un electrófilo débil.

3. Las reacciones de los fenoles con los cationes fenildiazonio produce compuestos azoicos coloreados: 3.1. La copulación diazo del fenol con el catión bencendiazonio produce 4-

(fenildiazenil)fenol, un colorante mostaza. 3.2. La copulación diazo del α-naftol con el catión bencendiazonio produce 4-

(fenildiazenil)naftalen-1-ol, un colorante rojo.

Autor:

Ludwig O. Julca ludwig_julca@hotmail.com Facultad de Ingeniería Química Universidad Nacional de Trujillo

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3.3. La copulación diazo del β-naftol con el catión bencendiazonio produce 1-(fenildiazenil)naftalen-2-ol, un colorante anaranjado.

4. Las reacciones de los fenoles monohidroxílicos con catión hierro (III) produce compuestos de coordinación coloreados: 4.1. La complexación de fenol con catión hierro (III) produce tetrakis(fenol)hierro (III),

un complejo de color morado. 4.2. La complexación de β-naftol con catión hierro (III) produce tetrakis(2-naftol)hierro

(III), un complejo de color mostaza. 5. Las reacciones de los fenoles polihidroxílicos con catión hierro (III) producen compuestos

oxidados, principalmente quinonas. Al oxidarse el bencen-1,2,3-triol, se obtiene 3-hidroxiciclohexa-3,5-dien-1,2-diona.

6. La reacción del fenol con catión nitrosilo produce 4-nitrosofenol, que en medio básico reacciona con fenol produciendo indofenol: 4-(4-hidroxifenilimino)ciclohexa-2,5-dienona.

Referencias 1. CAREY, F. Organic Chemistry. 4ª ed. Ed. McGraw-Hill. USA. 2000. 2. SOLOMONS, T.W.G Química Orgánica. 1 ª ed. Ed. Limusa. México. 1971. 3. WADE, L.G. Química Orgánica. 2ª ed. Ed. Prentice-Hall- USA. 2002.

Software utilizado 1. CambridgeSoft. ChemOffice 2005 Ultra Edition. 2. Gaussian Client Pro v. 9.0 para ChemOffice 2005